电子科大模电第1章-半导体基础知识

硅单晶材料
2、本征半导体的结构
• 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电 子称为价电子。根据化学的知识可以知道，最外层 的价电子受原子核的束缚力最小，容易脱离原子核 的束缚而成为自由电子。在半导体晶体中，一个原 子最外层的价电子分别与周围的四个原子的价电子 形成共价键。
半导体的原子结构为金刚 石结构：每个原子都处在正 四面体的中心，而四个其它 原子位于四面体的顶点。
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟 等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
N型半导体
在N型半导体中自由电子
是多数载流子，它主要由
杂质原子提供；空穴是少
数载流子，由热激发形成。
Si
提供自由电子的五价杂质
P
原子因失去了这个价电子
而带正电荷，成为正离子，
因此五价杂质原子也称为
施本主征杂硅质或。锗 + 少量磷 N型半导体
2、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子(本征激发,热 激发）
自由电子的游离使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电子 和带正电的空穴均参与导电，且运 动方向相反。由于载流子数目很少， 故本征半导体导电性很差。
温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。
热力学温度0K时不导电。
两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
第一章 常用半导体器件
第一章 常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应管
§1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
多余电子
Si Si
施主杂质
P型半导体
P型半导体中空穴是多数 载流子，其数量主要由掺 杂的浓度确定；电子是少 数载流子，由热激发形成。 三价杂质也称为受主杂质。
空穴
Si
Si
B
Si
本征硅或锗 +少量硼 P型半导体
受主杂质
• 判断下面是属于何种半导体？
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
n i 本征浓度
思考？
• 本征半导体的热激发效率是很低的，所以本征 载流子浓度远远小于本征半导体的原子浓度。
• 若掺入很小比例的施主杂质，在室温下，可认 为每个施主原子在半导体中产生一个多数载流 子，这样，即使施主原子的浓度远小于本征半 导体的原子浓度，但仍然远大于本征载流子的 浓度。
• 这时，本征激发产生的多数载流子虽然有，但 数量很有限。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
砷化镓(GaAs) 属于半导体化合物。
• 半导体在物理结构上有多晶体和单晶体两种形态， 制造半导体器件必须使用单晶体，即整个一块半导 体材料是由一个晶体组成的。制造半导体器件的半 导体材料纯度要求很高，要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素，可使半导体 的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元 素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。要注意，这 里的杂质半导体是在提纯的本征半导体中掺入一定浓度的 三价或五价元素而得到的，不是普通意义上的含有多种任 意杂质的半导体。
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可 形成N型半导体，也称电子型半导体。
ni pi BT2e 2kT
（1.1）
式中ni、pi分别表示电子和空穴的浓度(cm-3),T为热力学温 度(K),k为波尔兹曼常数(8.63×10-5eV/K),Eg为T=0K时 破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度(eV),B是与半导体 材料有关的常数(cm-3K-3/2)。
二 杂质半导体
• 杂质半导体
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N型半导体
多数载流子浓度=杂质浓度+热激发少子浓度
估算
• 在室温下，Si的本征浓度ni= 1.48×1010/cm3 Si的原子密度NSi = 5×1022/cm3,若掺入百万 分之一浓度的P原子形成N型半导体，估算一 下杂质半导体中的多子和少子的浓度是多少？
杂质半导体载流子浓度
• 有杂质电离和本征激发两个产生载流子的 过程。
• 根据半导体物理理论，少量掺杂时，在产 生载流子与载流子复合达到动态平衡条件 下，多数载流子与少子浓度的乘积等于同 一温度时的本征载流子浓度的平方。
杂质半导体的载流子浓度
no po ni2
n o 热平衡条件下自由电子的浓度
p o 热平衡条件下空穴的浓度
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到相当程度时才可能导 电。
导 体： 电阻率ρ < 10-4 Ω·cm 绝缘体：电阻率ρ > 109 Ω·cm 半导体：电阻率ρ介于前两者之间。
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
p
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
p
Si
Si
Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
B
Si
B
Si
Si
+
Si
Si Si
Si
载流子的浓度问题
• 对于本征半导体，由于存在本征激发（热 激发）和复合，在动态平衡下载流子的浓 度趋于稳定值n=p=ni，也称为本征载流子 浓度。
• 想一想，ni 是如何计算的？
本征浓度
• 载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相 遇，使自由电子空穴对消失的现象。
• 载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时 间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数 目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相 等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本 征半导体中载流子的浓度一定。
本征载流子的浓度
3 Eg